无线在油田检测中的应用论文范文

工业自动化领域中的无线技术

导语：一定条件下，在工业自动化方面，其要求对数据进行精确的定位。在测量方面，特别是在底下探测方面，具有十分广阔的发展前景。以下是我为大家整理的工业自动化领域中的无线技术论文范文，希望大家喜欢，更多内容请浏览(www.oh100.com/bylw)。

【摘要】笔者概述了工业自动化领域中的无线技术方法及特征，并探讨了UWB无线通信技术在工业自动化领域中的运用效果及发展的新趋势，对指导工业自动化领域中的无线技术具有一定的参与价值。

【关键词】工业自动化，领域，无线技术

一、前言

几年来，我国工业自动化领域中的无线技术取得了飞速发展，但依然存在一些问题和不足需要改进，笔者对工业自动化领域中的无线技术存在的主要问题进行分析，对工业自动化领域中的无线技术创新策略进行研究，对加快工业自动化推进的步伐，具有十分重要的意义。

二、Z igbee技术特征

Z igbee是一项近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术, 在一定情况下，主要适用于自动控制与远程控制领域, 是为满足小型廉价设备的无线联网与控制而制定的。Z igbee是 IEEE 802.15. 4技术的商业名子。与此同时，这项技术的核心协议由 2005年 12月成立的 IEEE 802. 15. 4工作组研究制定的, 但是，高层应用、互联互通测试与市场推广由 Zigbee联盟负责。接着研究的问题是Z igbee联盟成立时间是 2001年 9月, 现在包括英国Invensys公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司等在内的百余家知名企业。在一定程度上，Z igbee的协议主要是由物理层、数据链路层、网络/安全层、应用框架及高层应用规范组成。其中IEEE 802. 15. 4负责物理层与数据链路层标准; 据此开始研究Zig-bee联盟负责网络层与应用层的研发。 Z igbee协议栈如图 1所示。

Z igbee技术的主要特征如下:一是功耗低。在低耗电待机条件下, 两节普通5号干电池才可使用 6 个月以上, 这是 Zigbee支持者所特定的优势。二是数据传输过程中速率低。只有 10~ 250 kb/s,专注于低传输应用。三是成本比较低。 Z igbee 数据传输速率比较低, 而且协议简单, 很大程度上降低了成本。为此，预算今年年底一个 Zigbee芯片价格可能降到 3美元。四是网络容量比较大。统计显示，网络可容纳 65536个节点。五是有效范围比较小。有效覆盖范围在10~ 75 m之间, 在一定情况下，要具体根据实际发射功率大小与各种不同的.应用模式确定。六是工作频段很灵活。在一定程度上，应用的频段分别为2. 4GH z(全球)、868MH z( 欧洲 ) 与 915 MH z(美国 ) , 都是免执照频段。七是安全适用。 Z igBee提供了数据完整性检查与鉴权功能, 采取 AES- 128加密算法。八是诚信可靠。采用了碰撞预防办法, 并且，为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙, 防止发送数据的竞争和冲突。九是时延短。 Z igbee 通信时延与从休眠状态激活的时延都很短, 设备搜索时间典型值为 30 ms,设备激活时间典型值是 15 m s, 活动设备接入时间是 15ms。在此基础之上，Z igbee主要应用于数据传输速率不高的诸多电子设备之间, 比如：医疗护理 与工控等。其中最典型的应用是自动抄表系统。为此，当前 GPRS/CDMA无线抄表系统成本相对较高, 并且还要向电信运营商支付一定额度的费用, 另一种电力线联网 ( PLC)技术运行则不够稳定。据此，比较而言, 运用Z igbee网络的抄表系统由电力局自行建网, 在一定程度下，不需要交纳额外的费用, 另外，Z igbee网络超大的容量一般可以满足覆盖的需求,因此 Z igbee在无线自动抄表领域具有广阔的发展前景。与此同时，在井下无线监控、工业环境的温湿度监测、污水监测、气体监测上 Zigbee也具有很大的优势。在特殊条件下，由于传感器与通信技术的发展, 无线传感器网络 (W ireless sensor networks, WSN)的概念已深入人心。 Zigbee在无线传感器网络的运用上有着无法比喻的优势。在一定程度上，无线传感器网络也是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点构成、经过无线通信方式，并且形成的一个多跳的自组织的网络系统, 为此，具有监测高精度、高容错性、大覆盖区域、可远程监控等诸多优点。WSN 可应用于工业自动化系统、设备故障诊断、恶劣环境下生产过程监控等。同时，无线传感器网络设计的首要目标是能源的高效利用, 也就是说, 在保证正常的监测功能的条件下, 尽可能较少的消耗节点的能量, 同时，延长网络的生命周期。基于这一点, 它和 Z ig-bee的设计目标相符。其次。传感器网络严格要求每个节点的成本要尽可能达到最低,并且要求很严格。只有这样, 一个网络才可以拥有较多的节点, 在个别节点无效的条件下，可以迅速的重新规划确定路由, 从而，不致于使网络瘫痪。第三，Z igbee网络可以同时容纳 6.5万多个节点, 足能保证多源数据的采集。在一定条件下，一个传感器网络通常包涵传感器节点、汇聚节点与管理节点。同时，传感器节点一般由传感器模块、处理器模块、无线通信模块与能量供应模块四部分组成, 是一个微型的嵌入式系统, 它兼顾传统网络节点的终端与路由器双重功能。传感器网络的体系结构见图 2。

汇聚节点连接传感器网络与外部网络, 达到两种协议栈之间的通信协议转换, 在此基础上，发布管理节点的监测任务, 还要把收集到的数据转发到外部网络上。为此，用户通过管理节点对传感器网络实施配置与管理, 发布监测指令以及收集监测数据。同时，针对传感器网络的组成结构, 可以应用 Zigbee节点作整个网络的传感器节点, 并且，在整个监测区域内，组成一个 Zigbee网络, 每个传感器节点内嵌 Zigbee协议栈, 实现基本的 Zigbee网络功能,与此同时，把采集到的数据传输给汇聚节点, 还要接受汇聚节点对其下达的任务与命令。在一定程度下，利用一个微处理器 + GPRS模块作为汇聚节点, 据此，用来连接传感器网络和 GPRS网络, 实现 TCP/UD P等协议, 把数据打包封装成帧, 在一定条件下，通过 GPRS网络传递给主控制室, 并把主控端的命令解封装, 然后，传达给传感器节点。在用户端接一个 GPRS模块与 PC机服务器做硬件平台, 软件包含数据库等,在这一过程中，对收到的数据进行认真分析, 同时对整个网络进行管理。在特定情况下，Z igbee自身的特点决定了它只能应用在短距低速的条件下, 在工业监测中, 必须注意工作流程，有很多时间需要的是实时的图像, 这就必须有高速的数据传输率, 因而, 在这一点上, Zigbee有着致命的缺点。UWB技术的出现使这种运用需求成为了可能。

三、UWB无线通信技术在工业自动化领域中的运用效果

1. UWB无线通信技术分析。

在特定条件下，UWB无线通信技术是一项采取时间间隔极短的脉，而不用载波的通信方法。同时，具备以下优势：一是具有很强的抗干扰能力，这主要是这一技术的自身特征，在一定情况下，此技术的所有频段和当前我国通信系统，所采取频段之间各自安好且互不干扰。在特定情况下，一旦发射信号，它发射的无线电脉冲信号不但很微弱，并且所输出的功率也相对比较低;二是具有传输速率高、能耗低的特征，和Zigbee相比较，一定情况下，它的传输速率比Zigbee要高得多，最高时可能高达几百兆字节每秒，并且能耗很低，这主要是由于其发射时不能采用载波，同时，只在脉冲发射时消耗很低的能量;三是具有较高的安全功能，就有线技术相对比而言，不论是安全性或者是稳定性都大于有线通信技术。在一定程度下，基于此技术中融入了跳时扩频技术方法，因而信息数据接收设备，只有在知道发送端扩频码的前提条件下，对发射的数据进行接收，同时，发射功率谱密度较低，通常的信数据接收设备是不会接收的，为此，显现其安全功能;四是定位优点比较，这主要是由于这样系统本身具备的良好定位优点，一定条件下，穿透性能很强。因此其具备比较精确的定位性能，精准度能高达10米左右，为此，这也是别的通信技术无法可比的优势。五是具有较强的多径分辨功能，和一般无线通信技术比较，一定程度下，它的多径传播效应的通信质量与数据的传输速度很大程度的增强。

2. UWB无线通信技术在工业自动化领域中的运用。

从UWB无线通信技术用途的起源进行分析，刚开始时主要用在军事方面的雷达领域，一定条件下，用来开发军事雷达科技。从2005年3月开始，UWB技术被美国批准可以在非军事领域运用，从此UWB技术才得到了新的突破，通过科学发明，得到越来越广泛的应用。从UWB技术进行分析，一定条件下，它说具有的传输速率很高，为此，在工业自动化方面具有明显的优点，得到了广泛的应用。一定条件下，在工业自动化方面，其要求对数据进行精确的定位。在测量方面，特别是在底下探测方面，具有十分广阔的发展前景。在一定条件下，这种技术能够实现实时图像与声音的传输，这么高精度的数据量传输，在当前现有的无线技术中是难以实现的。为此，在这一通信技术的实际运用过程中，要在摄像头端安装微型处理器，一定程度下，经过简单压缩并处理实时传输的图像数据，就能使数据传输速率降到几十兆字节每秒，从而，最后利用UWB无线通信技术，将图像数据传送到数米开外的中心控制室。

四、结束语

通过对新时期下，通过对Z igbee技术存在的问题分析，进一步明确了Z igbee技术与UWB技术是时下无线通信市场的最流行的技术之一, 是无线网络重要的组成部分,为无线网络管理系统的优化完善奠定了坚实基础，无线技术具有广阔的应用发展前景。其有助于提高企业的竞争力和效益。

参考文献:

[1] Z igbee Spec ifica tion[ OL ]. http: / /www. z igbee. org. 2010.12

[2]周怡颋 凌志浩 吴勤勤 Z igbee无线通信技术及其应用探讨 自动化仪表2011.05

[3]顾瑞红 张宏科 基于 Z igbee 的无线网络技术及其应用 电子技术应用 2012.09

[4]李丽娟 国内聚氨酯密封胶研究进展 中国胶粘剂 2012.07

[5]夏春蕾 姜志国 高剪切强度聚氨酯密封胶用底涂剂 化工新材料 2013.03

无线局域网是计算机网络与无线通信技术相结合的产物。通俗点说，无线局域网（Wireless local－area network，WLAN）就是在不采用传统电缆线的同时，提供传统有线局域网的所有功能，网络所需的基础设施不需要再埋在地下或隐藏在墙里，网络却能够随着实际需要移动或变化。之所以还称其是局域网，是因为会受到无线连接设备与电脑之间距离的远近限制而影响传输范围，所以必须要在区域范围之内才可以连上网路。 无线局域网的基础还是传统的有线局域网，是有线局域网的扩展和替换。它只是在有线局域网的基础上通过无线集线器、无线访问节点、无线网桥、无线网卡等设备使无线通信得以实现。与有线网络一样，无线局域网同样也需要传送介质。只是无线局域网采用的传输媒体不是双绞线或者光纤，而是红外线或者无线电波，且以后者使用居多。 红外线系统 红外线局域网采用小于1微米波长的红外线作为传输媒体，有较强的方向性，由于它采用低于可见光的部分频谱作为传输介质，使用不受无线电管理部门的限制。红外信号要求视距（直观可见距离）传输，并且窃听困难，对邻近区域的类似系统也不会产生干扰。在实际应用中，由于红外线具有很高的背景噪声，受日光、环境照明等影响较大，一般要求的发射功率较高，红外无线局域网是目前“100Mbit／s以上、性能价格比高的网络”可行的选择。 无线电波 采用无线电波作为无线局域网的传输介质是目前应用最多的，这主要是因为无线电波的覆盖范围较广，应用较广泛。使用扩频方式通信时，特别是直接序列扩频调制方法因发射功率低于自然的背景噪声，具有很强的抗干扰抗噪声能力、抗衰落能力。这一方面使通信非常安全，基本避免了通信信号的偷听和窃取，具有很高的可用性。另一方面无线局域使用的频段主要是S频段（2.4GHz～2.4835GHz频率范围），这个频段也叫ISM（Industry Science Medical）即工业科学医疗频段，该频段在美国不受美国联邦通信委员会的限制，属于工业自由辐射频段，不会对人体健康造成伤害。所以无线电波成为无线局域网最常用的无线传输媒体。 除了传输介质有别于传统局域网外，无线局域网技术区别于有线接入的特点之一就是标准不统一，不同的标准有不同的应用。目前比较流行的有802.11标准（包括802.11a 、802.11b 及802.11g等标准）、蓝牙（Bluetooth）标准以及HomeRF（家庭网络）标准等。

说明： 1.802.11、802.11b、802.11g都工作在2.4GHz的ISM（工业、科学、医疗）公共频段，无需向无委申请；而802.11a工作在5GHz频段，该频段目前暂不开放，需要申请。 2.802.11a和802.11g物理层速率最高都可达54Mbps，传输层速率最高也可达25Mbps，但稳定性有待进一步改善，且成本也较高。而802.11b最高速率可达11Mbps，因为起步较早，技术较为成熟，成本也不高，将是未来最有前途的无线局域网标准，下面重点介绍802.11b标准。 二、IEEE 802.11b无线网络标准 1． 无线局域网的物理层 无线局域网同传统有线局域网的区别，表现在物理层上就是无线局域网一般用无线电作为传输介质，而不是传统的电缆。对于IEEE 802.11b无线局域网，有三种可选物理层：跳频扩频（FHSS）物理层、直接序列扩频（DSSS）物理层和红外线（IR）物理层。物理层的选择取决于实际应用的要求。跳频扩频和直接序列扩频是通信技术中两种常用的扩展频谱技术，用以提高无线信道的利用率和数据通信的安全性。目前大多数基于IEEE 802.11b的无线局域网产品的物理层介质工作在2.4000～2.4835GHz的无线射频频段（ISM频段），采用直接序列扩展频谱技术以提供高达11Mbps的数据传输速率。 2． 无线局域网的MAC协议 原则上讲，无线局域网的MAC协议和有线局域网的MAC协议并无本质上的区别。然而，由于无线传输媒体固有的特性以及移动性的影响，无线局域网的MAC协议不能沿用原有的局域网协议。例如，IEEE 802.3的MAC层采用CSMA/CD来使各个不同的站点共享同一物理信道。而实现CSMA/CD的一个重要前提是，各站点能够非常容易地实现冲突检测功能。在有线局域网（如以太网）的情况下，可根据检测电缆线上直流分量的变化容易地实现冲突检测。然而在使用无线传输媒体时，由于以下的原因，很难实现冲突检测。 1） 冲突检测的能力要求各站能同时发送（发送自己的信号）和接收（决定其他站的传输是否干扰自己的传输），这将增加信道的花费。 2） 更重要的是，由于隐藏终端问题的存在，即使一个站有冲突检测的能力，并已经在发送时检测到冲突，在接收端仍然会有冲突发生。 鉴于以上原因，无线局域网协议标准IEEE 802.11b采用了一种具有冲突避免的载波监听多路访问（CSMA/CA）协议实现无线信道的共享。 一种简单的CSMA/CA可实现如下：在数据包传输之前，无线设备将先进行监听，看是否有其他无线设备正在传输。若传输正在进行，该设备将等待一段随机决定的时间，然后再监听，若没有其他设备正在使用介质，该设备开始传输数据；因为很有可能在一个设备传输数据的同时，另一个设备也开始传输数据，为了避免此类冲突造成的数据丢失，接收设备检测所收到的分组的CRC，如果正确，则向发送设备传输一个确认信息（acknowledgement）以指示没有冲突发生。否则，发送设备将重复上述CSMA/CA过程。 为了使两个无线设备同时进行传输（这将导致冲突）的可能性减到最小，802.11设计者使用称为发送请求/清除以发送（RTS/CTS）的机制。例如：若数据到达无线节点指定的无线访问点（AP），该AP将给那个无线节点发送一个RTS帧，请求一定量的时间向它传输数据，无线节点将用CTS帧进行回应，表示它将阻止任何其他的通信，直到AP发送完数据为止。其他无线节点也能听到正在发生的数据传输，并把它们的传输延迟到那段时间之后。在这种方式下，数据在节点之间进行传递时，由设备导致的在介质上产生冲突的可能性最小。这种传输机制同时解决了无线局域网中的隐藏终端问题。 为了确保数据在传输中不丢失，CSMA/CA还引入了确认（ACK）机制，接收者在收到数据后，向发送单元发一个确认通知ACK。若发送者没有收到ACK，表明数据丢失，将再次传输该数据。 3． 无线局域网实时性性能分析 IEEE 802.11b无线局域网标准在媒体访问控制层采用CSMA/CA协议以实现无线信道的共享。在网络负荷较轻的情况下，发生冲突的机会很少，再加上一些无线网络产品采取了一些附加的措施，甚至可以完全避免冲突的发生。如Wi-LAN的无线产品AWE 120-24无线网络桥接器利用动态时间分配轮询的方式：当有多个无线远端设备要与基站通信时，基站会根据远端站的ID依次询问各个远端站是否有数据要发送，如果有数据要发送，就给其分配时间片，如果没有，则会继续向下询问，周而复始。这里的所谓动态轮询是指用户可以设置基站的轮询方式，对于非活动站减少对其询问的次数，这样可以保证时间片不会被浪费。动态时间分配轮询技术完全避免了冲突的发生，可以获得比CSMA/CA更好的实时性。这使得无线技术在工业控制网络中的应用成为可能。 三、基于无线技术的网络化智能传感器介绍 计算机网络技术、无线技术以及智能传感器技术的结合，产生了“基于无线技术的网络化智能传感器”的全新概念。这种智能传感器集成了数据采集、数据处理和无线网络接口模块，无线网络接口模块底层网络接口（硬件接口）采用基于IEEE 802.11b的网络接口芯片，高层网络接口（软件接口）采用TCP/IP协议，把TCP/IP协议作为一种嵌入式应用，即把TCP/IP协议固化到智能传感器的ROM中，使得现场数据的收发都以TCP/IP协议进行。这种基于无线技术的网络化智能传感器使得工业现场的数据能够通过无线链路直接在网络上传输、发布和共享。 无线局域网可以在普通局域网基础上通过无线Hub、无线接入站(AP)、无线网桥、无线Modem及无线网卡等来实现。 在工业自动化领域，有成千上万的感应器，检测器，计算机，PLC，读卡器等设备，需要互相连接形成一个控制网络，通常这些设备提供的通信接口是RS- 232或RS-485。无线局域网设备使用隔离型信号转换器，将工业设备的RS-232串口信号与无线局域网及以太网络信号相互转换，符合无线局域网IEEE802.11b和以太网络IEEE 802.3标准，支持标准的TCP/IP网络通信协议，有效的扩展了工业设备的联网通信能力。 四、无线局域网在工业控制网络中的应用 工业控制系统的网络化为无线技术在工业控制系统中的应用提供了基础和可能。近几年很多研究人员也展开了这方面的研究工作。中国科学院沈阳自动化所的曾鹏等人以FF（现场总线基金会）颁布的FFHSE（高速以太网）为蓝本，结合无线以太网标准IEEE802.11b，构造了现场级无线通信协议栈。该协议栈保持了基金会现场总线的通信模型，能够完成无线设备间的时间同步和实时通信。韩国釜山国立大学的Kyung Chang Lee等人设计了协议转换模型，实现了Profibus－DP网络和IEEE802.11无线局域网的互连。Mario Alves等人对基于广播方式的现场总线／无线网络的混合网络报文传送延迟时间进行了估算。C．Koulamas等人研究了Profibus现场总线与基于IEEE802.11b的DSSS物理层相结合的性能。 除了在理论上的研究工作外，在一些工业控制网络中，无线通信技术已获得了应用。如美国罗克威尔公司在基于DeviceNet、Control－net、Ethernet／IP的三层控制网络体系中，加入了无线以太网部分，可以实现无线通信。德国西门子公司在基于Profibus－DP、Profinet的控制网络中结合无线以太网技术，使控制网络具有了无线通信功能。由于无线网络无可比拟的优越性，它可以免去大量的线路连接，节省系统的构建费用和维护成本，还可以满足一些特殊场合的需要，与此同时，大大增强了系统构成的灵活性。加之无线通信技术自身的不断改进，无线通信技术在工业控制领域中必将具有广阔的发展空间和应用前景。 五、无线技术在工控网络中的应用方案及使用设备 1.无线工业控制的方法 通过使用基于无线技术的网络化智能传感器，结合目前市场上出现的各种基于IEEE 802.11b的无线局域网网桥，就可以实现无线局域网技术在工业控制网络中的一种应用方案。无线局域网网桥用作无线访问点（AP），基于无线技术的网络化智能传感器采集现场数据、处理，并以TCP/IP协议对数据进行打包，通过无线链路发送到AP，由于无线链路和有线以太网高层均采用TCP/IP协议，且低层协议对高层协议是透明的，就实现了无线网络和有线网络的无缝连接。通过Internet，就可以实现远程监控。 2．无线设备的选择 要实现无线网络，需要选择的设备一般为两种。一种为无线局域网网桥，可将多个无线站点连入已有的局域网之中；另一种为无线通讯装置，例如无线网卡、无线Modem等。下面介绍一下研华公司的无线装置。 A．WLAN-9200系列11Mbps工业无线局域网接入器 WLAN-9200是一款用于室外的增强11Mbps无线局域网网桥。它能够在无须任何物理布线的情况下，将多个远程站连接到局域网中。